2021年, 第45卷, 第5期　
刊出日期：2021-05-20

  

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  机械工程材料. 2021, 45(5): 0-0.

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综述
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  磁场作用下镍基高温合金定向凝固的研究进展

  赵勇, 苏海军, 张军, 刘林, 傅恒志

  机械工程材料. 2021, 45(5): 1-7,44. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105001

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  磁场控制定向凝固为制备高质量合金及铸件提供了新的途径，对提高产品冶金质量、发展新的制备工艺具有重要意义。概述了近年来磁场作用下镍基高温合金定向凝固的主要研究进展，介绍了磁场与金属导电熔体间的几种典型效应，系统总结了静磁场、交变磁场、脉冲磁场和行波磁场作用下镍基高温合金定向凝固组织的演变规律，磁场对杂晶等典型凝固缺陷的影响以及磁场对高温合金蠕变性能的影响，探讨了不同类型磁场作用下凝固组织和缺陷的形成机制。最后，对高温合金磁场定向凝固技术的发展趋势和突破点进行了展望。
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  船舶维修与再制造用Mo₂NiB₂基金属陶瓷及涂层的制备和研究现状

  倪晓杰, 开佳伟, 尹莉, 赵忠贤, 赵远涛, 王生泽, 胡肇炜, 李文戈

  机械工程材料. 2021, 45(5): 8-14. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105002

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  在海洋高盐、高湿、磨损及循环载荷冲击的恶劣环境中，船舶关键零部件易发生腐蚀、磨损和疲劳失效，因此零部件需要进行维修与再制造，如通过焊接或激光熔覆等方法在表面制备一层耐腐耐磨涂层。Mo₂NiB₂基金属陶瓷因具有高硬度，优良的耐磨、耐蚀、耐高温氧化等性能而成为维修与再制造用涂层材料。简要描述了数值模拟在Mo₂NiB₂基金属陶瓷研究中的应用，详细介绍了Mo₂NiB₂基金属陶瓷或涂层的制备工艺以及不同工艺参数对材料组织和性能的影响，指出激光熔覆原位合成结合数值模拟是未来Mo₂NiB₂基金属陶瓷主要的研究方向。
试验研究
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  w(Ti+B₄C+C)/w(Ni60A)对等离子熔覆镍基复合涂层结构与性能的影响

  薛春旭, 江少群, 王刚, 王泽华, 周泽华

  机械工程材料. 2021, 45(5): 15-21,26. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105003

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  以Ni60A合金粉、钛（Ti）粉、石墨（C）粉和B₄C粉为原料，其中w（Ti+B₄C+C）/w（Ni60A）（w为质量分数/%）分别为0：100，10：90，20：80，30：70，采用反应等离子熔覆技术在304不锈钢表面制备镍基复合涂层，研究了w（Ti+B₄C+C）/w（Ni60A）对涂层成形性、显微组织、硬度和耐磨性能的影响。结果表明：添加Ti+B₄C+C的镍基复合涂层与基体呈冶金结合，且主要由（Ni，Fe）、CrB、TiC和Cr₃Si相组成；增大w（Ti+B₄C+C）/w（Ni60A）会增加强化相析出量，降低成形性；CrB在涂层中下部呈灰黑色细长条状，在上部呈细小块状或棒状，TiC主要以细小颗粒弥散分布于涂层中；当w（Ti+B₄C+C）/w（Ni60A）为20：80时，涂层综合性能较优，平均显微硬度最高（948 HV），磨痕截面面积约为纯Ni60A合金涂层的1/5；镍基复合涂层主要发生黏着磨损和氧化磨损。
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  Y₂O₃纳米颗粒对电镀Ni-W涂层组织结构和电化学腐蚀性能的影响

  韩雨辰, 邢士龙, 姜传海

  机械工程材料. 2021, 45(5): 22-26. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105004

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  在添加不同含量Y₂O₃纳米颗粒（质量浓度分别为0，5，10，20 g·L^-1）的电镀溶液中沉积Ni-W合金涂层，研究了Y₂O₃纳米颗粒的加入对涂层显微组织、微观形貌和电化学腐蚀性能的影响。结果表明：Y₂O₃纳米颗粒的添加减少了涂层表面结节状结构，细化了涂层晶粒，增大了微观应变；当Y₂O₃纳米颗粒的质量浓度在5~10 g·L^-1时，所得涂层的表面粗糙度小于未添加纳米颗粒涂层的，但当质量浓度增至20 g·L^-1时，表面粗糙度高于未添加纳米颗粒涂层的；Y₂O₃纳米颗粒的添加提高了涂层的耐电化学腐蚀性能，并且当Y₂O₃纳米颗粒的质量浓度为10 g·L^-1时，涂层的耐电化学腐蚀性能最优。
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  喷丸强化对CF53钢摩擦磨损性能的影响

  蔡雨晴, 胡雄风, 屈盛官, 张亚龙, 赖福强, 李小强

  机械工程材料. 2021, 45(5): 27-33,38. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105005

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  采用3种喷丸强度（0.326，0.401，0.438 mm）对CF53钢进行表面喷丸强化，并在油润滑条件下进行销-盘式摩擦磨损试验，对比研究了喷丸前后试样的表面形貌、显微组织、显微硬度和耐磨性能。结果表明：喷丸强化后试样表面呈现酒窝状凹坑形貌，表面粗糙度、显微硬度和硬化影响区深度随喷丸强度的增加而增大；3种强度喷丸强化均提高了试样的耐磨性能，喷丸后的摩擦因数和体积磨损率均小于未喷丸试样的，喷丸强度为0.326 mm时试样的耐磨性能最佳；未喷丸试样的磨损机理为黏着磨损和材料剪切剥落，喷丸强度为0.326，0.401 mm时的磨损机理为剥层和磨粒磨损，喷丸强度为0.438 mm时则转变为疲劳磨损。
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  在线淬火对高强度钢板组织转变及力学性能的影响

  马长文, 狄国标, 王凯凯, 黄乐庆, 路士平

  机械工程材料. 2021, 45(5): 34-38. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105006

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  对高强度钢板分别进行在线淬火+600 ℃回火以及离线淬火+600 ℃回火处理，对比研究了两种工艺下的组织和力学性能。结果表明：两种工艺下试验钢板的显微组织均为回火马氏体，在线淬火+回火后的马氏体板条间距更小，板条更长；在线淬火+回火后的马氏体具有更高的位错密度和更多的大角度晶界，且碳化物析出相的尺寸更加细小；在线淬火+回火后试验钢板的强度更高，但塑性和韧性略低于离线淬火+回火工艺下的。
材料性能及应用
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  氩气与氢气流量对等离子喷涂铁基非晶涂层性能的影响

  李辉, 崔新安, 赵晓兵, 刘希武, 邹洋

  机械工程材料. 2021, 45(5): 39-44. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105007

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  以铁基非晶合金粉为原料，采用等离子喷涂技术制备铁基非晶涂层，研究了喷涂过程中同时增加氩气流量（40~80 L·min^-1）与氢气流量（6~10 L·min^-1）对涂层微观结构、与基体的结合强度、显微硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能的影响。结果表明：制备所得涂层的非晶含量较高，其面积分数可达92.4%~94.8%；涂层与基体之间结合良好，无明显裂纹；随着氩气和氢气流量的增加，涂层的孔隙率先减小后增大，涂层与基体的结合强度和显微硬度均先升高后降低，涂层在0.5 mol·L^-1 H₂SO₄溶液中的耐腐蚀性能先变好后变差；氩气流量为60 L·min^-1、氢气流量为8 L·min^-1时，涂层的结构最致密，孔隙率最低，结合强度和显微硬度最高，耐磨和耐腐蚀性能最优。
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  热冲压成形后22MnB5钢的组织与拉伸性能以及拉伸时的微观形貌演变

  袁昌望, 黄加进, 钟辉隆, 李声慈

  机械工程材料. 2021, 45(5): 45-49. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105008

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  对比研究了22MnB5钢经890 ℃热冲压成形前后的显微组织与拉伸性能，采用原位拉伸试验观察了热冲压成形后试验钢在单向拉伸过程中微观形貌的演变。结果表明：热冲压成形前试验钢的显微组织为铁素体和珠光体，热冲压成形后组织转变为马氏体，试验钢的强度和强塑积提高，塑性下降；在拉伸过程中，试验钢先发生颈缩，随后原奥氏体晶界破坏，微裂纹萌生，夹杂物脱黏形成孔洞型裂纹，随着拉伸的继续进行，裂纹扩展长大并相互连接，试验钢断裂；热冲压成形试验钢的拉伸断口存在大量韧窝，断裂形式为微孔聚集型断裂。
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  铜合金镶嵌石墨材料的摩擦磨损性能

  史科, 王文东, 司明明, 王飞, 张超

  机械工程材料. 2021, 45(5): 50-55. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105009

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  将硬度和强度不同的2种石墨分别镶嵌于Cu-15Ni-8Sn合金基体上，然后将Cu-15Ni-8Sn合金镶嵌石墨材料与05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢组成摩擦副，研究了不同载荷（490，980，1 470 N）和润滑条件（干摩擦与湿摩擦）下该材料的摩擦磨损性能。结果表明：干摩擦条件下该材料的摩擦因数随载荷的增大基本呈增大趋势，且镶嵌较高硬度和强度石墨时材料的干摩擦因数小于镶嵌较低硬度和强度石墨时材料的；湿摩擦条件下，镶嵌较高硬度和强度时石墨材料的摩擦因数随载荷的增大而增大，且与干摩擦条件下的相当；随着载荷的增大，在干摩擦和湿摩擦条件下的磨损量均呈增大趋势；干摩擦条件下石墨的磨损机制以磨粒磨损为主，并伴有疲劳磨损，而湿摩擦条件下的磨损机制以磨粒磨损和冲刷磨损为主。
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  不同速率变形后WE54合金的显微组织及力学性能

  尚长沛, 杨帆, 夏志平

  机械工程材料. 2021, 45(5): 56-62. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105010

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  对T4态和T6态WE54合金进行准静态压缩变形和空气锤锻（高速）变形试验，研究了变形前后的显微组织、硬度和压缩性能。结果表明：T4态和T6态WE54合金在准静态变形和高速变形后，部分变形晶粒内出现孪晶，并且在一些粗大孪晶内形成了二次孪晶，孪晶出现平行排列和交割特征；不同速率变形后T4态和T6态合金的变形晶粒尺寸未发生明显变化，但新生成的孪晶由于切割基体细化了组织，有助于维氏硬度和压缩性能的提高；与准静态变形相比，高速变形能够促进晶粒采用孪生机制协调变形，产生更多的孪晶界细化组织，提升变形后合金的硬度和屈服强度。
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  CP780镀锌复相钢板电阻点焊焊接特性

  王鹏博, 张永强, 付参, 鞠建斌, 伊日贵

  机械工程材料. 2021, 45(5): 63-66,83. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105011

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  对1.5 mm厚CP780镀锌复相钢板进行电阻点焊，研究了其焊接电流窗口、显微组织和力学性能，评估了点焊过程中电极的使用寿命。结果表明：试验钢板电阻点焊的焊接电流窗口为6.0~8.0 kA，最大和最小焊接电流下焊缝组织均主要为板条状马氏体，热影响区组织则主要由马氏体和部分铁素体组成；最大和最小焊接电流下熔核区硬度高于热影响区，且热影响区均存在软化区；最大焊接电流点焊接头的最大剪切力和最大正拉力分别为21.80，10.56 kN，比最小焊接电流下分别提高了51.8%，38.0%；在最大焊接电流下连续焊接2 000点后，熔核直径仍均大于临界熔核直径，电极使用寿命超过2 000点。
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  选择性激光熔化原位自生TiB+La₂O₃/TC4钛基复合材料的组织和力学性能

  张韦晨, 李九霄, 杨冬野, 张馨月, 郑沥昕, 张雨桐, 何凌欢

  机械工程材料. 2021, 45(5): 67-70,75. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105012

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  以Ti-6Al-4V钛合金粉末和LaB₆粉末为原料，采用选择性激光熔化（SLM）技术制备原位自生TiB+La₂O₃/TC4钛基复合材料以及TC4钛合金，对比研究了复合材料和钛合金的物相组成、显微组织、硬度和抗压强度。结果表明：复合材料和钛合金的显微组织均为β柱状晶及晶内分布的针状α'马氏体，复合材料的β晶粒和α'马氏体集束的尺寸更细小，大角度晶界占比更高；LaB₆与钛元素发生原位反应生成TiB和La₂O₃增强体，TiB呈长条状沿一定方向分布，La₂O₃呈细小球状、弥散分布在晶界和晶内；复合材料的显微硬度和室温/高温抗压强度均高于钛合金的。
物理模拟与数值模拟
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  高钒合金型内熔化扩散温度场及钒含量分布模拟

  余世浩, 李佳琪, 张琳琅

  机械工程材料. 2021, 45(5): 71-75. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105013

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  利用ANSYS软件建立V9Cr4高钒合金型内熔化扩散有限元模型，模拟了浇铸5CrNiMo合金液后凝固过程中高钒合金棒不同位置处的温度；基于合金棒轴向温度变化不大的模拟结果，将合金元素的三维扩散简化成二维扩散，建立径向钒元素含量分布数学模型，计算了径向钒元素含量并进行了试验验证。结果表明：浇铸时合金棒的温度高于其固相线温度，说明高钒合金棒与5CrNiMo合金能实现冶金结合；由温度分布曲线确定钒元素的扩散时间为810 s，将其代入钒元素含量分布数学模型，计算得到的不同位置处钒元素含量与测试结果的相对误差小于1%，说明建立的型内熔化扩散有限元模型较为准确，可以利用其模拟结果来计算钒元素含量分布。
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  38CrMoAl高强度钢动态力学性能及其J-C本构模型

  包志强, 张勇, 张柱柱, 樊伟杰, 孟莉莉

  机械工程材料. 2021, 45(5): 76-83. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105014

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  分别利用液压试验机和分离式霍普金森压杆试验装置对38CrMoAl高强度钢进行低应变速率（10^-4，10^-3，10^-2 s^-1）下的准静态压缩试验和高应变速率（850~4 500 s^-1）下的动态压缩试验，研究了该钢的动态压缩力学性能以及动态压缩后的显微组织；考虑应变速率强化效应和绝热效应对Johnson-Cook（J-C）本构模型进行修正，并进行了试验验证。结果表明：试验钢的真实屈服强度随着压缩应变速率的增加而增大，表现出应变速率强化效应；经高应变速率压缩后，试验钢中出现了具有一定耐蚀性的强化区；修正后的J-C本构模型预测得到试验钢在不同应变速率下的真应力与试验结果的平均相对误差范围为1.76%~3.99%，这表明修正后的J-C本构模型能够准确地描述该钢的动态压缩力学特性。
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  基于晶体塑性理论的GH4169合金缺口效应研究

  靖雅, 钟飞, 苑光健, 曹贤, 王润梓, 周帼彦, 张显程

  机械工程材料. 2021, 45(5): 84-90,95. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105015

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  基于晶体塑性本构模型，通过生成宏观试样的代表性体积单元，对单轴拉伸和疲劳试验数据进行拟合以获得满足模拟条件的相关参数，并分析了网格尺寸对模拟结果的影响；采用累积塑性滑移和能量耗散作为指示因子进行疲劳裂纹萌生寿命预测，研究缺口尺寸对疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明：采用所建立的模型获得的含缺口试样的疲劳裂纹萌生寿命在试验获得的疲劳裂纹萌生寿命2倍误差带内，模型具有较好的预测精度；当缺口尺寸较小时，随着缺口尺寸的增加，试样疲劳裂纹萌生寿命显著降低，当缺口尺寸大于临界缺口尺寸时，试样疲劳裂纹萌生寿命几乎不受缺口尺寸影响。
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  DP780钢焊接接头温度场及粗晶区相含量数值模拟

  杨琴, 郭永环, 徐冬秦, 颜天

  机械工程材料. 2021, 45(5): 91-95. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105016

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  应用均匀试验设计方法设计12组焊接工艺参数（焊接电流分别为60，70，80，90，100，110 A；焊接速度分别为1.96，2.88 mm·s^-1），建立DP780双相钢焊接有限元模型，通过模拟和试验，以接头变形量最小为指标确定了最佳焊接电流和焊接速度；采用焊接有限元模型模拟了最佳参数焊接时接头的温度场和热影响区粗晶区（CGHAZ）马氏体含量，并通过热模拟试验进行验证。结果表明：当焊接电流为100 A、焊接速度为1.96 mm·s^-1时，焊接接头的变形量最小，该变形量有限元模拟结果与试验值的相对误差为3.528%，说明模型较准确；有限元模拟得到距焊缝中心距离在2.44~6.97 mm的区域为CGHAZ，该区域中的马氏体面积分数为43%，与热模拟试验制备粗晶区试样中的马氏体面积分数（44%）相近，说明建立的模型可以用于模拟CGHAZ组织。
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  CR1500HF热成形钢U形件不同位置的高速拉伸性能及其有限元模拟

  刘培星

  机械工程材料. 2021, 45(5): 96-99,104. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105017

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  在CR1500HF热成形钢U形件不同位置取样，进行应变速率在1~500 s^-1的拉伸试验，研究了不同位置拉伸性能的差异和应变速率对热压成形件拉伸性能的影响；建立材料拉伸有限元模型，模拟分析了该钢的高速拉伸性能和拉伸试样加持端应力分布。结果表明：该热压成形U形件侧壁位置的抗拉强度和屈服强度低于法兰和底部位置，在进行碰撞分析时需考虑部分位置因冷却不足强度降低的影响；随着应变速率的增加，U形件不同位置的屈服强度和抗拉强度均增大；由拉伸有限元模型模拟得到的真应力-真塑性应变曲线与combined S-H本构模型拟合得到的曲线吻合较好，应变速率1， 500 s^-1下真应力均方根误差分别为19.98，39.48 MPa；高速拉伸过程中拉伸试样夹持端大部分处于弹性变形阶段，应变片粘贴位置距试样圆弧处的距离应大于19 mm。
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  多次激光喷丸作用下TC4钛合金的疲劳性能及微裂纹扩展预测模型

  周晓刚, 纪飞飞

  机械工程材料. 2021, 45(5): 100-104. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105018

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  对TC4钛合金板进行不同次数激光喷丸处理，再进行高周疲劳试验，研究了其疲劳性能及断裂机理；基于残余压应力及晶界介微观尺寸对微裂纹扩展的阻滞作用，采用抑制参数、张开应力强度因子、残余应力强度因子对Paris公式进行修正，建立了激光喷丸处理后疲劳微裂纹扩展预测模型，并进行了试验验证。结果表明：随着喷丸次数增加，TC4钛合金的疲劳强度增大，疲劳寿命延长，断裂方式由脆性断裂向韧性断裂转变；疲劳微裂纹预测模型预测得到的疲劳寿命与试验值的相对误差小于10%，说明模型准确。
失效分析
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  某油田原油输送20钢管线弯头穿孔原因

  罗懿, 杨阳, 蒋晓斌, 王骅钟

  机械工程材料. 2021, 45(5): 105-110. https://doi.org/10.11973/jxgccl202105019

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  采用宏微观形貌、化学成分、显微组织、腐蚀产物、水质、受力仿真等分析方法，研究了某油田原油输送20钢管线弯头的穿孔原因。结果表明：弯头内壁陶瓷涂层存在气孔、鼓泡等质量缺陷；且外弧面曲率较大处的壁厚最小，形成低洼区，原油中的水极易产生CaCO₃水垢沉积在低洼区而引起垢下腐蚀。在弯头内部原油介质中CO₂、H₂S、硫酸盐还原菌和Cl^-的协同作用下，在流体冲击力最大且涂层破损最严重的外弧面曲率较大区域形成腐蚀穿孔。